热电偶检定误差及不确定度的分析

摘要:热电偶是根据热电效应制成的温度测量元件，是一种广泛应用在各个领域的温度传感器，它由两种不同材料的热电极构成，并将其两端的温度差，以电势值的形式输入给二次仪表———温度显示仪表，以完成温度测量的全过程。因此，热电偶就是测量仪表的基础元件，其示值的正确性，可靠性与否，将影响着整个控温的精度。因而热电偶在检定过程中，其标准装置，检定方法等，是否满足检定规程要求，将从根本上影响着检定结果的正确性和可靠性。
1概述
　　根据JJG141—2013《工作用贵金属热电偶检定规程》要求，检定方法有双极比较法和同名极比较法，根据单位的情况采用双极比较法。其检定原理图应按照图1所示进行。规程要求检定时检定标准与所有被检热电偶的参考端应全部直接插入478个0℃的冰点槽里，这样经过转换开关，由低电势直流电位差计或其他等精度电测仪器测得的热电势值为E(t0)，即检定炉的炉温t，相对于0℃的热电势值，经过标准热电偶误差修正后，就可以从热电偶分度表中直接查得热电偶所测实际温度，或计算出被检热电偶的误差值。2热电偶的检定方法及所用标准装置通常热电偶的检定方法有双极比较法、同名极比较法，一般使用的是同名极比较法，其检定原理如图1所示。
 
　　热电偶在检定前先清洗、退火、然后捆扎入炉。检定在锌(419．527℃)、铝(660．323℃)、铜(1084．62℃)119个固定点进行，开始测量时，其测量顺序为由低温到高温逐点检定，检定炉炉温偏离检定点温度不得超过±5℃，当炉温升到设定检定点后观测到炉温变化小于0．1℃/min(S型、Ｒ型热电偶)时，开始测量，其测量顺序为:
 
　　测量时每只热电偶的热电动势测量次数不少于4次，整个测量过程炉内温度变化低于0．5℃。测量读数保留到小数点后4位(0．1μv)。由于检定点是在锌、铝、铜119个固定点进行的，合格的热电偶在鉴定证书中还须给出300℃～1300℃各整百度上的热电势值。计算式为:
 
　　式中:et温度t时的热电动势值，e1、e2、e3被检定的热电偶在119个固定点t1、t2、t3时的热电动势值，φ1(t)，φ2(t)，φ3(t)，分别为t1，t2，t3温度下的影响函数
 
3误差来源、产生原因及计算分析
　　误差来源主要以人、机、料、法、环403个方面分析。
1)一等标准铂铑10－铂热电阻的不确定度评定为0．6℃，正态分布，取k=2．58。则:
 
2)一等标准热电偶的年稳定性引入的标准不确定度u2。由检定规程JJG75－1995得知，其在铜点的年稳定性不超过5μv，假设按均匀分布，K=3。其结果相当于0．24℃。
 
3) 测量重复性引入的标准不确定度u3。对分度号为S、编号为47－1S－11的热电偶在短时间内测量8次，在铜点测量数据如下:
10． 5679，10．5676，10．5675，10．5668，10．5665，10．5663，10．5666，10．6569
实验标准偏差Sn=0．049℃，则标准不确定度:
 
4)电测仪表读数不正确引入的标准不确定度分量u4。2010型7位半数字多用表由使用说明书得知在测量铜点热电势为10．575mv时的极限误差为±(0．0037%读数+0.0009%量程)，得允差e4=±1．29μv(S热电偶在铜点时)，相当于0．11℃，假设按均匀分布，k槡=3。其结果相当于0．06℃。
 
5)转换开关寄生电势引入的不确定度分量u5。检定规程规定，转换开关各路寄生电势小于0．4μv，相当于0．03℃。假设按均匀分布k=。其结果相当于0．02℃。
 
6)检定炉温场不均匀性引入的不确定分量u6。检定规程规定，管式检定炉温均匀温场内温度变化梯度0．4℃/10mm，半宽度e6=0．2℃。按均匀分布k=。
 
4被检热电偶总不确定度计算1)总不确定度由以上8项不确定度合成，上述8项不确定度彼此独立，因此合成标准不确定度uc:
 
2) 拓展不确定度U=KUC=0．78℃(k取2)
　　被检热电偶在使用温度上限允许基本误差=1600℃×0.25%=4．0℃
5结语
　　铂铑10———铂热电偶检定装置的总不确定度为0．78℃，小于被检热电偶的允许基本误差4．0℃，达到了计量标准设备不确定度为被校准检测设备不确定度的1/3～1/10点要求，满足热电偶检定要求。从以上分析中可知，由于在热电偶检定中采取了许多消除或避免误差产生的措施，使得被检热电偶的总不确定度为最低限度。因此，在检定工作中，要严格遵守检定规程，不断学习，要从人员、装置、方法、环境及被检热电偶特性等多方面做些更细致的工作，使测量不确定度减小到最低限度，以保证热电偶的传递精度。为企业更好更快持续发展作出贡献。